智能仪器的发展趋势与前景

1、西安理工大学研究生课程论文/研究报告课程名称：智能仪器课程代号：030416任课教师：赵怀军论文/研究报告题目：智能仪器的研究现状与发展趋势完成日期： 2016 年 7 月 19 日学科：仪器仪表工程学号：姓名：成 绩：1 .研究现状 31.1 智能仪器的历史沿革 32 .发展趋势 42.1 智能仪器的组成 42.2 智能仪器的发展趋势 5(1)微型化 5(2)多功能化 5(3)人工智能化 6融合isp和emit技术6(5)网络化 6(6)虚拟仪器是智能仪器发展的新阶段 62.4 智能仪器与数据采集系统的发展趋势 7(1)独立式智能仪器及自动测试系统 7(2)个人仪器与vxi 仪器系统 83

2、.总结 94 .主要参考文献 91 .研究现状测试仪器是实现测试的基本工具。测试仪器发展至今，主要经历了四个阶段：（ 1）模拟仪器早期的模拟仪器是基于物理定律产生的，如安培表、伏特表等。这种仪器的共同特征是带有表盘和机械表针，靠人读取被测量，因而误差大，精度低。到 20 世纪 50 年代， 随着电子技术的兴起，出现了电子仪器仪表，如电子示波器、信号发生器等。（ 2）数字仪器数字仪器是将对模拟信号的测量转化为对数字信号的测量， 并以数字形式显示和输出测量结果，如数字电压表、数字电流表等。（ 3）智能仪器智能仪器是将微处理器置入数字仪器中，实现数据存储、数据处理、逻辑判断、仪器自检等功能。 10

3、含有微计算机或微处理器的测量仪器， 由于拥有对数据的存储、 运算、逻辑判断及自动操作等功能，有着一定的智能作用，因而被称为智能仪器。智能仪器是计算机技术向测量仪器移植的产物。近年来，随着迅猛发展的微计算机和微电子等技术渗透到测量和仪器领域，智能仪器已开始从数据处理向知识处理发展，其概念内涵日益延拓。（ 4）虚拟仪器现代科学技术的飞速发展，高度自动化的工业化大生产迫切需要功能更强大、成本更低廉、系统更灵活的新一代测试仪器。计算机总线技术、软件技术及相关技术的发展，使计算机的作用超出了原有的范围，实现了许多原本由硬件完成的或者硬件不能胜任的功能，这标志着“软件即仪器”时代的到来。作为一种以计算机软

4、件为核心的新型仪器系统，虚拟仪器功能强、测试精度高、测试速度快、自动化程度高、人机界面优异、灵活性强 11 。1.1 智能仪器的历史沿革20 世纪 70 年代，出现了基于大规模集成电路的微处理器，人们在其小体型、高效率、自动化等特点驱使下，开始对仪器仪表进行智能化改造。 1973 年，出现了内含微处理器的商品化测量仪器。到 1975 年，世界上约有近百种这类新型测量仪器仪表问世。内含微处理器的新型仪器集合了计算机技术和测控技术，具有了一定的人的智能特性，诸如数据记忆及处理、逻辑判断、自检验、自校正、灵活反应等功能，因此被人们称为智能仪器。 20 世纪 80 年代， ni 公司提出了“虚拟仪器”

5、的概念。虚拟仪器是虚拟现实技术在仪器仪表领域的重要应用。仪器软件系统所具有的通用性、通俗性、可视性、可扩展性和易升级性等特点，可方便用户快捷地构建测量环境。虚拟仪器的出现，加速了测 量仪器的智能化进程。到了上世纪90年代，融合了 3c技术的智能化现场总线仪器具有了通信接口， 开始实现分布式的 测量与控制。同期，多媒体技术被引入到智能仪器的构建，增强了智能仪器与人的交互。 进入21世纪，智能仪器最大的进步特征是嵌入式系统的采用、与网络技术的有机结合、 现代数学方法以及计算数学方法的更多利用。嵌入式系统在智能仪器构建上的采用，使 智能仪器更加小型化，功能更全面，分析处理能力更强，可靠性进一步提高。

6、以internet 为代表的计算机网络技术与智能仪器的结合，使得大范围的分布式测控成为现实，人们 在任何时间、从任何地点获取测量信息成为可能。现代数学方法中的模糊数学、分形方 法和现代数值计算方法在智能仪器建模中的应用，明显提高测量模型的精确度和计算效 率，为仪器智能化决策水平提升奠定基础802 .发展趋势一个测试系统要完成对被测量的测试，首先必须获得被测量的信息，并且根据被测 量信息的物理学特性，将其转换成容易处理或传输的电量信号，然后将电量信号所表示 的信息进行变换或放大，再用指示仪或记录仪将信息显示或记录下来。有的测试系统还 需要对信息进行处理，以获得反映实际被测量数值大小的测试结果。2

7、.1 智能仪器的组成如图2-1所示为微机内嵌式智能仪器的基本组成。系统采用总线结构，所有外设和 存储器均挂在总线上，微处理器按地址对它们进行访问。这是典型的计算机结构。它与 一般计算机的差别在于多了 “测量电路”，同时，它与外界的通信，通常需通过ieee-488 接口进行3。cm.ram削曷信号图2-1微机内嵌式智能仪器的组成曲诚统 匚肌系庐一他切班 共内设bohwft i网i 粗 萧打 洒押 nr .图2-2智能仪器的基本组成框图智能仪器的组成框图如图2-2所示1。2.2 智能仪器的发展趋势自从迅猛发展的计算机技术及微电子技术渗透入测量和仪器仪表技术领域以来，该领域的面貌不断更新。相继出现的

8、智能仪器、总线仪器和虚拟仪器等微机化仪器，都无一例外地利用了计算机的软件和硬件优势，这使它们既增加了测量功能，又提高了技术性 能。从而诞生了 “软件就是仪器”的概念。智能化是目前电子仪器发展的趋势，智能仪 器以其优质的特点受到了电器科研以及工业青睐。智能仪器不仅仅能够在范围上比传统 仪器的应用更加的广泛，同时其体积小功耗低以及功能强大等特点也是传统仪器所不及 的9 o 21世纪的仪器，是一个开放的系统概念，它将随着计算机总线技术、网络通信技术 的发展而不断发展。多媒体技术和虚拟现实技术的发展和应用，将极大地推进在线检测智 能仪器的智能化进程。在在线检测方面，以微机和工作站为动力，通过组建网络来

9、提高生 产效率和共享信息资源，这已成为一个重要发展方向，今后将达到“网络就是仪器”的美 好前景。总之，将计算机技术、通信技术、网络技术、人工智能技术移植应用到工业光电 在线检测仪中，使其具有标准化、虚拟化、智能化、网络化的功能 ，是未来新一代光电在 线检测智能仪器发展的必然趋势2o(1)微型化微型智能仪器指微电子技术、微机械技术、信息技术等综合应用于仪器的生产中，从而使仪器成为体积小、功能齐全的智能仪器。它能够完成信号的采集、线性化处理、数 字信号处理，控制信号的输出、放大、与其他仪器的接口、与人的交互等功能。微型智能 仪器随着微电子机械技术的不断发展，其技术不断成熟，价格不断降低，因此其应用

10、领域 也将不断扩大。它不但具有传统仪器的功能，而且能在自动化技术、航天、军事、生物技 术、医疗领域起到独特的作用。(2)多功能化多功能本身就是智能仪器仪表的一个特点。 例如，为了设计速度较快和结构较复杂的 数字系统，仪器生产厂家制造了具有脉冲发生器、 频率合成器和任意波形发生器等功能的函数发生器。 这种多功能的综合型产品不但在性能上比专用脉冲发生器和频率合成器高而且在各种测试功能上提供了较好的解决方案。3 3) 人工智能化人工智能是计算机应用的一个崭新领域 , 利用计算机模拟人的智能 , 用于机器人、医疗诊断、专家系统、推理证明等各方面。智能仪器的进一步发展将含有一定的人工智能 , 即代替人的

11、一部分脑力劳动 , 从而在视觉、听觉、思维等方面具有一定的能力。这样, 智能仪器可无需人的干预而自主地完成检测或控制功能。(4)融合isp和emit技术伴随着网络技术的飞速发展,internet 技术正在逐渐向工业控制和智能仪器仪表系统设计领域渗透, 实现智能仪器仪表系统基于internet 的通讯能力以及对设计好的智能仪器仪表系统进行远程升级、功能重置和系统维护。在系统编程技术(in-system programming, 简称 isp 技术 ) 是对软件进行修改、组态或重组的一种最新技术。它是lattice半导体公司首先提出的一种使我们在产品设计、制造过程中的每个环节, 甚至在产品卖给最终

12、用户以后 , 具有对其器件、电路板或整个电子系统的逻辑和功能随时进行组态或重组能力的最新技术。 isp 技术消除了传统技术的某些限制和连接弊病, 有利于在板设计、 制造与编程。 isp 硬件灵活且易于软件修改, 便于设计开发。由于isp器件可以像任何其他器件一样，在印刷电路板(pcb)上处理，因此编程 isp器件不需要专门编程器和较复杂的流程,只要通过pcm,嵌入式系统处理器甚至 interne运程网进彳t编程。emit嵌入式微型因特网互联技术是 emware公司创立 eti(extend the internet) 扩展 internet 联盟时提出的 , 它是一种将单片机等嵌入式设备接入

13、internet 的技术。利用该技术, 能够将 8位和 16位单片机系统接入 internet, 实现基于 internet 的远程数据采集、智能控制、上传/ 下载数据文件等功能。(5) 网络化伴随着网络技术的飞速发展, internet 技术正在逐渐向工业控制和智能仪器仪表系统设计领域渗透, 实现智能仪器仪表系统基于internet 的通讯能力以及对设计好的智能仪器仪表系统进行远程升级、功能重置和系统维护。因此, 智能仪器的网络化将是一个重要的发展趋势7 。(6) 虚拟仪器是智能仪器发展的新阶段测量仪器的主要功能都是由数据采集、数据分析和数据显示等三大部分组成的。在虚拟现实系统中，数据分析和

14、显示完全用pc机的软件来完成。因此，只要额外提供一定的 数据采集硬件，就可以与pc机组成测量仪器。这种基于 pc机的测量仪器称为虚拟仪器。 在虚拟仪器中 , 使用同一个硬件系统, 只要应用不同的软件编程, 就可得到功能完全不同的测量仪器。可见 , 软件系统是虚拟仪器的核心,“软件就是仪器”。传统的智能仪器主要在仪器技术中用了某种计算机技术，而虚拟仪器则强调在通用的计算机技术中吸收仪器技术。作为虚拟仪器核心的软件系统具有通 用性、通俗性、可视性、可扩展性和升级性，能为用户带来极大的利益，因此，具有传统的 智能仪器所无法比拟的应用前景和市场4。近年来，智能化测量控制仪表的发展尤为迅速。国内市场上已

15、经出现了多种多样智能 化测量控制仪表，例如，能够自动进行差压补偿的智能节流式流量计，能够进行程序控温 的智能多段温度控制仪，能够实现数字pid和各种复杂控制规律的智能式调节器，以及能 够对各种谱图进行分析和数据处理的智能色谱仪等。国际上智能测量仪表更是品种繁多， 例如,美国honeywell司生产的dstj-3000系列智能变送器,能进行差压值状态的复合 测量，可对变送器本体的温度、静压等实现自动补偿,其精度可达到i至0.1%fs美国 racadan於司的9303型超高电平表,利用微处理器消除电流流经电阻所产生的热噪声,测量电平可低达-77db;美国fluked司生产的超级多功能校准器 552

16、0a，内部采用了 3个 微处理器，其短期稳定性达到1ppm,线性度可达到0.5ppm;美国foxboro司生产的数字 化自整定调节器，采用了专家系统技术，能够像有经验的控制工程师那样，根据现场参数 迅速地整定调节器。这种调节器特别适合于对象变化频繁或非线性的控制系统。由于这 种调节器能够自动整定调节参数，可使整个系统在生产过程中始终保持最佳品质5 o2.3智能仪器与数据采集系统的发展趋势随着智能仪器的不断完善以及新的设计思想和新的集成电路的不断出现，软件的重要性将变得愈来愈突出。可以肯定，测试界今后的巨大变化将发生在对新器件的应用和软 件设计方面。(1)独立式智能仪器及自动测试系统独立式智能仪

17、器在结构上自成一体，自身带有微处理器，能独立进行测试，使用灵活 方便，是现阶段智能仪器的主体。这类仪器在技术上已经比较成熟，借助新技术、新器件和新工艺，且这类产品还在不断地推陈出新。智能仪器几乎都配有通信接口。gp-ib是国际电工协会于1978年推荐的一种仪用标准总线接口 ，已被世界各国普遍采用，带有gp-ib 接口的仪器和计算机，可以借助一条无源电缆总线进行互连，组成自动测试及数据采集系 统，以完成较复杂的测试任务。由智能仪器组成的自动测试系统是一个分布式系统，系统内的智能仪器在任务一级并行工作，各自具备完备的硬件和软件，因而能相对独立地工作 相互间可以通信，它们之间通过外部总线进行互连。自

18、动测试系统一般由计算机、多台程 控仪器以及gpib组成。计算机作为系统控制者，通过执行测试软件，实现对测量全过程 的控制及处理；各台可程控仪器作为测试系统的执行单元，具体完成采集、测量、处理等 任务；gp-ib如同一个多功能的神经网络，将各种设备有机地连接起来，完成系统内各种信 息的变换和传输。2. ) 个人仪器与vxi 仪器系统近年来， 由 hp、 泰克等五家仪器公司联合提出了适用于个人仪器系统的接口总线 vxi标准， 并为世界各厂家所接受。 vxi 总线的问世被认为是测量和仪器领域发生的一件最重要的事件， 从而使测试仪器系统进入了一个划时代的新阶段。 vxi 总线是一个开放式结构,它允许不

19、同厂家生产的板卡仪器可以在同一机箱中工作, 从而使 vxi 总线很快就成了测试系统的主导结构。 vxi 总线系统一般由计算机、 vxi 仪器模块和vxi 总线机箱构成。 vxi总线是面向模块结构的仪器总线, 比 gp-ib 有了较大的进步。 vxi 总线的地址线和数据线均可高至32位，数据传输速度率高达40mb/s,此外还定义了多种控制线、中断线、时钟线、触发线、识别线和模拟信号线等。可见 ,vxi 总线仪器集中了智能仪器、个人仪器和gp-ib系统的许多优点，并具有方便灵活，标准化程度高，可扩展性好，能充分发挥计算机效能以及便于构成虚拟仪器等诸多优点 , 因此获得了迅速发展和推广 , 被称为未来仪器和未来系统 6 。3. 总结智能仪器是计算机科学、电子学、数字信号处理、人工智能、 vlsi 等新兴技术与传统的仪器仪表技术的结合。随着专用集成电路、个人仪器等相关技术的发展, 智能仪器将会得到更加广泛的应用。作为智能仪器核心部件的单片计算机技术是推动智能仪器向小型化、